Free Press

Termer

• voltacelleEn celle, som f.eks. i et batteri, hvor en irreversibel kemisk reaktion frembringer elektricitet; en celle, der ikke kan genoplades.
• redoxEn reversibel kemisk reaktion, hvor den ene reaktion er en oxidation og den omvendte er en reduktion.
• halvcelleEn af de to dele af en elektrokemisk celle, der indeholder en elektrode og en elektrolyt.

En elektrokemisk celle er en anordning, der frembringer en elektrisk strøm ud fra energi, der frigives ved en spontan redoxreaktion. Denne type celle omfatter den galvaniske eller voltaiske celle, der er opkaldt efter Luigi Galvani og Alessandro Volta. Disse videnskabsmænd udførte flere eksperimenter om kemiske reaktioner og elektrisk strøm i slutningen af det 18. århundrede.

Elektrokemiske celler har to ledende elektroder, kaldet anode og katode. Anoden defineres som den elektrode, hvor der sker oxidation. Katoden er den elektrode, hvor reduktion finder sted. Elektroder kan fremstilles af alle tilstrækkeligt ledende materialer, f.eks. metaller, halvledere, grafit og endda ledende polymerer. Mellem disse elektroder er elektrolytten, som indeholder ioner, der kan bevæge sig frit.

Den voltaiske celle anvender to forskellige metalelektroder, der hver især befinder sig i en elektrolytopløsning. Anoden vil undergå oxidation og katoden vil undergå reduktion. Anodens metal oxideres, idet det går fra en oxidationstrin 0 (i fast form) til en positiv oxidationstrin, og det bliver til en ion. Ved katoden vil metalionen i opløsningen acceptere en eller flere elektroner fra katoden, og ionens oxidationstilstand vil blive reduceret til 0. Dette danner et fast metal, der aflejrer sig på katoden. De to elektroder skal være elektrisk forbundet med hinanden, så der er en strøm af elektroner, som forlader anodens metal og gennem denne forbindelse strømmer til ionerne på overfladen af katoden. Denne strøm af elektroner er en elektrisk strøm, som kan bruges til at udføre arbejde, f.eks. dreje en motor eller tænde for et lys.

Eksempel på reaktion

Voltacelleens funktionsprincip er en samtidig oxidations- og reduktionsreaktion, kaldet en redoxreaktion. Denne redoxreaktion består af to halvreaktioner. I en typisk voltacelle er redoxparret kobber og zink, repræsenteret i følgende halvcellereaktioner:

Zinkelektrode (anode): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e-

Kobberelektrode (katode): Cu2+(aq) + 2 e- → Cu(s)

Cellerne er opbygget i separate bægerglas. Metalelektroderne er nedsænket i elektrolytopløsninger. Hver halvcelle er forbundet med en saltbro, som giver mulighed for fri transport af ioniske arter mellem de to celler. Når kredsløbet er sluttet, flyder strømmen, og cellen “producerer” elektrisk energi.

Kobber oxiderer let zink; anoden er zink og katoden er kobber. Anionerne i opløsningerne er sulfater af de respektive metaller. Når en elektrisk ledende anordning forbinder elektroderne, er den elektrokemiske reaktion:

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Zinkelektroden producerer to elektroner, når den oxideres (Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-), som bevæger sig gennem ledningen til kobberkatoden. Elektronerne finder derefter Cu2+ i opløsningen, og kobberet reduceres til kobbermetal (Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu). Under reaktionen vil zinkelektroden blive brugt, og metallet vil skrumpe i størrelse, mens kobberelektroden vil blive større på grund af den aflejrede Cu, der bliver produceret. En saltbro er nødvendig for at holde ladningen i gang gennem cellen. Uden en saltbro ville de elektroner, der produceres ved anoden, ophobes ved katoden, og reaktionen ville stoppe med at køre.

Voltacelleceller anvendes typisk som en kilde til elektrisk energi. I kraft af deres natur producerer de jævnstrøm. Et batteri er et sæt voltaiske celler, der er forbundet parallelt. For eksempel har et bly-syre-batteri celler med anoder bestående af bly og katoder bestående af blydioxid.